Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp khô bọc epoxy sử dụng lõi thép vô định hình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐOÀN THANH BẢO NGHIÊN CỨU LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP KHÔ BỌC EPOXY SỬ DỤNG LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐOÀN THANH BẢO

NGHIÊN CỨU LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP KHÔ BỌC EPOXY SỬ DỤNG LÕI THÉP

VÔ ĐỊNH HÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – 2015

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐOÀN THANH BẢO

NGHIÊN CỨU LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP KHÔ BỌC EPOXY SỬ DỤNG LÕI THÉP

VÔ ĐỊNH HÌNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 62520202

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS PHẠM VĂN BÌNH

2 TS PHẠM HÙNG PHI

Hà Nội – 2015

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực

XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, PGS TS Phạm Văn Bình và TS Phạm Hùng Phi đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu Hai thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết,

hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án

T c giả tr n trọng cảm ơn PGS.TS Nguy n Việt H ng, Viện trưởng Viện nghi n cứu quốc tế về Khoa học K thuật t nh to n D SI , đã tạo điều kiện thuận lợi cho ph p t c giả

s d ng chương trình phần mềm nsys Maxwell được hỗ trợ bản quyền, tại ph ng nghi n cứu của Viện để thực hiện ài to n mô phỏng m y iến áp

T c giả tr n trọng cảm ơn ThS L Xu n Đại, công t c tại Viện D SI thu c trường Đại học B ch khoa Hà N i Người đã hết l ng hỗ trợ t c giả trong việc hướng dẫn s d ng phần mềm nsys Maxwell

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà N i, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện và B môn Thiết bị Điện - Điện t đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Chân thành cảm ơn c c Giảng viên và cán b B môn Thiết bị điện - Điện t , đã hỗ trợ tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Gi m hiệu trường Đại học Quy Nhơn, Ban Chủ nhiệm khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả được tập trung nghiên cứu tại Hà N i trong suốt thời gian qua Xin chân thành cảm ơn sự quan t m, giúp đỡ

và đ ng viên của c c đồng nghiệp, nhóm NCS – Viện Điện

Cuối cùng, tác giả thực sự cảm đ ng và từ đ y l ng mình xin ày tỏ l ng iết ơn đến các Bậc sinh thành và người vợ yêu quý cùng con gái và con trai th n y u đã luôn ở bên tác giả những lúc khó khăn nhất, những lúc mệt mỏi nhất, để đ ng vi n, để hỗ trợ về tài chính và tinh thần, giúp tác giả có thể đứng vững trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án này

Tác giả luận án

Trang 5

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xv

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 2

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

4 Các đóng góp mới của luận án 4

5 Cấu trúc nội dung của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Giới thiệu 6

1.2 Máy biến áp khô 6

1.2.1 Khái niệm: 6

1.2.2 Máy biến áp khô có cu n d y đúc trong c ch điện rắn 7

1.2.3 Ưu nhược điểm của máy biến áp dầu và máy biến áp khô 7

1.3 Máy biến áp hiệu suất cao 9

1.4 Những nghiên cứu ở ngoài nước về máy biến áp lõi vô định hình 10

1.4.1 Phương ph p chế tạo vật liệu vô định hình 10

1.4.2 Giảm tổn hao máy biến p lõi vô định hình 12

1.4.3 Thiết kế máy biến p lõi vô định hình 13

1.5 Những nghiên cứu ở trong nước về máy biến áp lõi vô định hình 15

Trang 6

1.6 Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi silic 16

1.7 Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi vô định hình 19

1.8 Những vấn đề còn tồn tại 21

1.9 Đề xuất hướng nghiên cứu 22

1.10 Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA TỪ TRƯỜNG TẢN TRONG CỬA SỔ MẠCH TỪ MÁY BIẾN ÁP 24

2.2 Lý thuyết về dòng điện ngắn mạch và lực điện từ 24

2.2.1 D ng điện ngắn mạch 24

2.2.2 Lực điện từ 28

2.3 Xây dựng mô hình toán với từ thế vectơ A 33

2.3.1 Phương trình Maxwell 33

2.3.2 Phương trình từ thế vectơ 35

2.3.3 Phương trình ứng suất lực trên dây quấn viết theo từ thế vectơ x,y 41

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT LỰC ĐIỆN TỪ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN 2D 44

3.2 Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phương pháp giải tích 44

3.2.1 Mô hình máy biến áp 630kVA - 22/0,4kV 45

3.2.2 Tính dòng ngắn mạch trên các cu n dây 45

3.2.3 Tính toán từ trường tản trên các cu n dây hạ áp và cao áp 47

3.2.4 Các kết quả về ứng suất lực trên cu n hạ áp và cao áp 53

3.2.5 Nhận xét các kết quả đạt được từ phương ph p giải tích 55

3.3 Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phương pháp phần tử hữu hạn 2D 57

3.3.1 Mô hình k ch thước máy biến áp trên Ansys Maxwell 57

3.3.2 Ứng suất lực trên các cu n dây hạ áp và cao áp 59

3.3.3 Nhận xét các kết quả đạt được từ phương ph p PTHH 2D 61

3.4 So sánh về ứng suất lực trên dây quấn giữa phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn 2D 62

3.4.1 Từ cảm tản Bx, By và Bxy trên cu n hạ áp và cao áp 63

Trang 7

3.4.2 Ứng suất lực x và y trên cu n hạ áp và cao áp 63

3.4.3 Nhận xét kết quả so sánh 64

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP 67

4.2 Thuật toán tính ứng suất lực điện từ trên dây quấn máy biến áp lõi thép vô định hình bằng phương pháp PTHH 3D 67

4.3 Xây dựng mô hình 3D máy biến áp trên phần mềm Ansys Maxwell 68

4.3.1 Quá trình giải quyết bài toán trên Ansys Maxwell 68

4.3.2 Thiết lập bài toán mô phỏng máy biến áp 630kVA 69

4.4 Mô phỏng ở chế độ không tải và ngắn mạch thử nghiệm 73

4.4.1 Phân bố từ trường 73

4.4.2 Giá trị điện p và d ng điện 73

4.4.3 Tổn hao không tải và tổn hao ngắn mạch th nghiệm 74

4.5 Mô phỏng ở chế độ ngắn mạch sự cố 75

4.5.1 D ng điện ngắn mạch 76

4.5.2 Phân bố từ trường tản 76

4.5.3 Phân tích ứng suất lực ngắn mạch trên cu n dây hạ áp và cao áp 78

4.5.4 Tìm vị trí có ứng suất lớn nhất trên vòng dây quấn hình chữ nhật 81

4.6 Tìm ứng suất lớn nhất trong các trường hợp thay đổi bán kính cong r của cuộn dây 84

4.6.1 C c trường hợp khảo sát 84

4.6.2 Trường hợp r = 2 mm 85

4.6.8 Nhận x t 7 trường hợp r thay đổi 93

4.6.9 Đ nh gi sự ph thu c giá trị ứng suất lực 95

4.7 Tính ứng suất nhiệt trong dây quấn máy biến áp khô bọc epoxy 97

4.7.1 Phân bố nhiệt đ thời điểm sau ngắn mạch 97

4.7.2 Tính ứng lực vào dây quấn khi có chênh lệch nhiệt đ giữa dây quấn và c ch điện epoxy 99

Trang 8

4.7.3 Tổng ứng suất vùng biên 106

4.8 Tính ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp 107

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111

Đóng góp khoa học của luận án 111

Hướng phát triển của luận án 111

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

PHỤ LỤC 120

Trang 9

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

Trang 10

υn rad Góc pha của d ng điện

h11 mm Chiều cao từ gốc tọa đ tới thành dưới cu n HA

h12 mm Chiều cao từ gốc tọa đ tới thành dưới cu n CA

h21 mm Chiều cao từ gốc tọa đ tới thành trên cu n HA

h22 mm Chiều cao từ gốc tọa đ tới thành trên cu n CA

d11 mm Khoảng cách từ tr đến thành trong cu n HA

d12 mm Khoảng cách từ tr đến thành trong cu n CA

d21 mm Khoảng cách từ tr đến thành ngoài cu n HA

d22 mm Khoảng cách từ tr đến thành ngoài cu n CA

x D”1b mm K ch thước bên ngoài cu n HA

D’2a x D’2b mm K ch thước bên trong cu n CA

D”2a x D”2b mm K ch thước bên ngoài cu n CA

Trang 11

FEM Finite Element Method

AAT Amorphous Asymmetrial Transformer

AST Amorphous Symmetrial Transformer

Trang 12

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1. Máy biến p khô đúc ằng nhựa epoxy [8] 7

Hình 1.2. Khả năng chống cháy cu n d y đúc epoxy; a đốt cu n dây trong hai phút; b) ngừng đốt; c) ngừng đốt sau 15 giây [8] 8

Hình 1.3. Lịch s tổn hao không tải của MBA 50 kVA [34] 9

Hình 1.4. Biểu thị đường cong từ tr của vật liệu VĐH và th p silic [18] 10

Hình 1.5. Lịch s ứng d ng th p VĐH chế tạo MBA phân phối [18] 10

Hình 1.6. Các cấu trúc nguyên t [80] 11

Hình 1.7 Qui trình chế tạo vật liệu VĐH [23,80] 11

Hình 1.8. Máy biến áp 3 pha: a) 3 tr ; b) 5 tr [35] 12

Hình 1.9. Tổn hao không tải và có tải của MB khô VĐH [69] 14

Hình 1.10.Mô hình mạch từ của MB khô VĐH trong ph n t ch FEM [69] 15

Hình 1.11.Phân bố từ thông của MBA dây quấn đồng tâm [16] 17

Hình 1.12.Các thành phần lực hướng kính cu n d y đồng tâm [16] 17

Hình 1.13.Mật đ từ thông hướng kính và lực dọc tr c [16] 17

Hình 1.14.Ứng suất trên vòng dây của các cu n dây [16] 17

Hình 1.15.Lực điện từ, d ng điện và từ cảm tản của MBA [39] 17

Hình 1.16.Phân bố từ trường trong mạch từ và ngoài cu n dây [40] 18

Hình 1.17.Sơ đồ mạch điện liên kết 18

Hình 1.18.D ng điện ngắn mạch cu n CA và HA [38] 18

Hình 1.19.Lực hướng kính trên cu n CA [38] 19

Hình 1.20.Lực hướng tr c cu n CA [38] 19

Hình 1.21.Lực hướng kính trên cu n HA [38] 19

Hình 1.22.Lực hướng tr c cu n HA [40] 19

Hình 1.23.Các vị trí khảo sát trên cu n dây [38] 19

Hình 1.24.Lực hướng kính trên cu n HA [38] 19

Hình 1.25.Cấu trúc kẹp cu n dây của MB VĐH [32] 20

Hình 1.26.Sơ đồ cu n HA và CA [59] 21

Hình 1.27.MB VĐH a pha cu n dây hình chữ nhật [59] 21

Hình 1.28.Cu n HA và CA 21

Hình 1.29.Cu n HA và CA sau khi bị t c đ ng lực điện từ 21

Hình 2.1. D ng điện ngắn mạch tại các thời điểm góc an đầu điện p ψ kh c nhau [8] 27

Hình 2.2. Hướng x c định lực điện từ [52] 29

Hình 2.3. Quá trình sinh ra lực cơ kh ph hỏng dây quấn MBA 30

Hình 2.4. Dây quấn MBA bị uốn cong [11] 30

Hình 2.5. Dạng sóng của lực điện từ [11,53] 30

Trang 13

Hình 2.6. Biến dạng dây quấn gây ra bởi lực hướng tr c [50] 31

Hình 2.7. Biến dạng dây quấn gây ra bởi lực hướng kính [60] 31

Hình 2.8. Uốn cong của dây quấn [63,64] 31

Hình 2.9. Các thành phần của từ cảm tản và lực điện từ tác d ng lên dây quấn MBA 31

Hình 2.10.Lực điện từ hướng kính của dây quấn đồng t m đối xứng 32

Hình 2.11.Lực dọc tr c của dây quấn đồng t m không đối xứng 33

Hình 2.12.Mô hình c c k ch thước 2D của MBA 37

Hình 2.13.Thành phần từ cảm theo tr c x, y tại c c đường biên của c a sổ mạch từ MBA 38

Hình 2.14.a) Phân bố từ cảm khi chiều cao hai dây quấn bằng nhau; b) Phân bố từ cảm khi chiều cao hai dây quấn không bằng nhau [57] 40

Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán tính ứng suất tác d ng trên dây quấn 44

Hình 3.2. D ng điện ngắn mạch trên cu n CA 46

Hình 3.3. D ng điện ngắn mạch trên cu n HA 47

Hình 3.4. C c k ch thước mạch từ và cu n dây của MBA 49

Hình 3.5 Đồ thị vectơ từ thế A(x,y) trong c a sổ mạch từ 51

Hình 3.6. Đồ thị từ cảm hướng kính Bx 52

Hình 3.7. Đồ thị từ cảm hướng tr c By 52

Hình 3.8. Phân bố từ cảm tại cạnh ngoài cùng cu n HA 53

Hình 3.9. Phân bố từ cảm tại cạnh trong cùng cu n CA 53

Hình 3.10.Tọa đ c c điểm khảo sát theo bề dày cu n HA và CA 54

Hình 3.11.Đồ thị phân bố ứng suất σx cu n HA ứng với ba vị trí x khác nhau 55

Hình 3.12.Đồ thị phân bố ứng suất σy cu n HA ứng với ba vị trí x khác nhau 55

Hình 3.13.Đồ thị phân bố ứng suất σx cu n CA ứng với ba vị trí x khác nhau 55

Hình 3.14.Đồ thị phân bố ứng suất σy cu n CA ứng với ba vị trí x khác nhau 55

Hình 3.15.Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cu n HA 56

Hình 3.16.Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh trong cùng cu n CA 56

Hình 3.17.Mô hình MBA trong Ansys Maxwell 58

Hình 3.18.Mô hình chia luới trong Ansys Maxwell 58

Hình 3.19.Biểu di n vectơ từ cảm B 58

Hình 3.20.Biểu di n đ lớn từ cảm B 58

Hình 3.21.Phân bố từ cảm tại cạnh ngoài cùng cu n HA 59

Hình 3.22.Phân bố từ cảm tại cạnh trong cùng cu n CA 59

Hình 3.23.Phân bố lực trên cu n HA và CA 60

Hình 3.24.Đồ thị phân bố ứng suất x cu n HA ứng với ba vị trí x khác nhau 60

Hình 3.25.Đồ thị phân bố ứng suất σy cu n HA ứng với ba vị trí x khác nhau 60

Hình 3.26.Đồ thị phân bố ứng suất x cu n CA ứng với ba vị trí x khác nhau 60

Hình 3.27.Đồ thị phân bố ứng suất y cu n CA ứng với ba vị trí x khác nhau 60

Trang 14

Hình 3.28.Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cu n HA 61

Hình 3.29.Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh trong cùng cu n CA 61

Hình 3.30.Tóm tắt quá trình thực hiện so sánh giữa phương ph p giải tích và PTHH 2D 62

Hình 3.31.Đồ thị phân bố ứng suất lực x trên cu n HA giữa giải tích và PTHH 2D 63

Hình 3.32.Đồ thị phân bố ứng suất lực y trên cu n HA giữa giải tích và PTHH 2D 63

Hình 3.33.Đồ thị phân bố ứng suất lực x trên cu n CA giữa giải tích và PTHH 2D 63

Hình 3.34.Đồ thị phân bố ứng suất lực y trên cu n CA giữa giải tích và PTHH 2D 63

Hình 4.1. Lưu đồ thuật toán tính ứng suất trên các cu n dây 68

Hình 4.2. Quá trình giải quyết bài toán bằng phương ph p PTHH [15] 69

Hình 4.3. Đường cong từ hóa của vật liệu VĐH 2605S 1 [55] 70

Hình 4.4. Mô hình c thể k ch thước mạch từ và dây quấn MB VĐH 70

Hình 4.5. Ký hiệu tọa đ của c c đường thẳng khảo sát 70

Hình 4.6. Lõi thép MBA bằng vật liệu VĐH 71

Hình 4.7. Mạch từ và cu n dây của MB VĐH 71

Hình 4.8. Mô hình MB VĐH trong ph n t ch nsys Maxwell 3D 71

Hình 4.9. Sơ đồ mạch điện CA và HA của MBA 72

Hình 4.10.Kết quả chia lưới mô hình MBA trong Ansys Maxwell 72

Hình 4.11.Không gian giới hạn mô phỏng 73

Hình 4.12.K ch thước mở r ng theo các chiều 73

Hình 4.13.Phân bố từ cảm B trong mạch từ khi chưa ngắn mạch 73

Hình 4.14.Điện p C định mức 74

Hình 4.15.Điện p H định mức 74

Hình 4.16.D ng điện C định mức 74

Hình 4.17.D ng điện H định mức 74

Hình 4.18.Tổn hao không tải MBA 75

Hình 4.19.Tổn hao ngắn mạch của MBA 75

Hình 4.20.D ng điện ngắn mạch trên cu n CA 76

Hình 4.21.D ng điện ngắn mạch trên cu n HA 76

Hình 4.22.Phân bố từ cảm trên mạch từ và cu n dây của MBA tại thời điểm t =25ms 77

Hình 4.23.Phân bố từ cảm trên mạch từ và cu n dây của MBA tại thời điểm t =25ms 77

Hình 4.24.Từ cảm tại cạnh ngoài cùng cu n HA 78

Hình 4.25.Từ cảm tại cạnh trong cùng cu n CA 78

Hình 4.26.Mặt cắt đối xứng của mô hình ½ MBA 3D 78

Hình 4.27.Đồ thị ứng suất x theo chiều cao cu n HA ứng với ba vị trí x khác nhau 79

Hình 4.28.Đồ thị ứng suất z theo chiều cao cu n HA ứng với ba vị trí x khác nhau 79

Hình 4.29.Đồ thị ứng suất x theo chiều cao cu n CA ứng với ba vị trí x khác nhau 79

Hình 4.30.Đồ thị ứng suất z theo chiều cao cu n CA ứng với ba vị trí x khác nhau 79

Trang 15

Hình 4.31.Tổng ứng suất xz trên cu n HA 80

Hình 4.32.Tổng ứng suất xz trên cu n CA 80

Hình 4.33.C c đường thẳng khảo sát trên cu n HA 81

Hình 4.34.Vị tr 10 đường khảo sát trên cu n HA ứng với r =12 81

Hình 4.35.Phân bố ứng suất của 10 vị trí theo chiều cao cu n HA 82

Hình 4.36.Phân bố ứng suất trên cu n HA 82

Hình 4.37.Phân bố ứng suất lớn trên cu n HA 82

Hình 4.39.C c đường thẳng khảo sát trên cu n CA 83

Hình 4.40.Vị tr 10 đường khảo sát 83

Hình 4.41.Phân bố ứng suất của 10 vị trí theo chiều cao cu n CA 83

Hình 4.42.Phân bố ứng suất trên cu n CA 83

Hình 4.43.Phân bố ứng suất lớn trên cu n CA 84

Hình 4.45.Bán kính r bên trong cu n H và c c k ch thước khác của cu n dây 85

Hình 4.46.K ch thước ½ của cu n CA và HA 85

Hình 4.47.Cu n HA và CA trong Ansys Maxwell 85

Hình 4.48.D ng điện ngắn mạch cu n CA 86

Hình 4.49.D ng điện ngắn mạch cu n HA 86

Trang 16

Hình 4.72.Phân bố ứng suất trên cu n HA với 7 trường hợp bán kính r khác nhau 94

Hình 4.73.Phân bố ứng suất trên cu n CA với 7 trường hợp bán kính r khác nhau 94

Hình 4.74.Đường cong (1): Giá trị ứng suất theo bán kính r 95

Hình 4.75.K ch thước r và R 96

Hình 4.76.Đường cong 2 : Đ tăng của ứng suất lực theo tỉ số: (r + R)/r 96

Hình 4.77.C c k ch thước của cu n dây và lớp epoxy 98

Hình 4.78.Phân bố nhiệt đ theo hướng kính epoxy sau thời điểm ngắn mạch (thời điểm ngắn mạch τ = 0 gi y [8] 99

Hình 4.79.Áp suất thay đổi chiều cao dây quấn 100

Hình 4.80.Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp 108

Trang 17

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 3.1. Các giá trị thông số điện cơ bản MBA 45

Bảng 3.2. Bảng kết quả d ng điện ngắn mạch cực đại 47

Bảng 3.3. Bảng c c k ch thước mạch từ và cu n dây MBA 49

Bảng 3.4. Bảng kết quả giá trị ứng suất tổng lớn nhất trên cu n HA và cu n CA bằng phương ph p giải tích 57

Bảng 3.5. Bảng kết quả giá trị ứng suất lực lớn nhất tại cạnh ngoài cu n HA và cạnh trong cu n CA bằng phương ph p PTHH 2D 62

Bảng 3.6. So sánh kết quả từ cảm tản trên cu n HA và CA giữa phương ph p giải tích và PTHH 2D 63

Bảng 3.7. So sánh kết quả ứng suất lực có giá trị lớn nhất giữa phương ph p giải tích và PTHH 2D 64

Bảng 4.1. C c k ch thước c thể của MB VĐH 69

Bảng 4.2. Các thông số đo đạc thực nghiệm của MB VĐH 630 kV - 22/0,4 kV 71

Bảng 4.3. So sánh các giá trị mô phỏng và thực tế 75

Bảng 4.4. Bảng giá trị ứng suất lực ở 3 vị trí theo bề dày cu n HA và CA 80

Bảng 4.5. Bảng kết quả phân bố ứng suất có giá trị lớn nhất 80

Bảng 4.6. Bảng so sánh kết quả của hai phương ph p giải tích và PTHH 81

Bảng 4.7. Bảng kết quả phân bố ứng suất có giá trị lớn nhất giữa phương ph p PTHH 3D mặt cắt và PTHH 3D 84

Bảng 4.8. Chiều dài cu n d y và d ng điện ngắn mạch cực đại tại r =10 mm 88

Bảng 4.9. Chiều dài cu n d y và d ng điện ngắn mạch cực đại tại r =18 mm 89

Bảng 4.10.Chiều dài cu n d y và d ng điện ngắn mạch cực đại tại r =30 mm 90

Bảng 4.13.Chiều dài cu n d y và d ng điện ngắn mạch của 7 trường hợp 93

Bảng 4.14.Vị trí ứng suất lớn nhất tại r =2; 10; 12; 18; 30; 45 và 90 mm 94

Bảng 4.15.C c k ch thước của cu n dây và lớp epoxy 98

Bảng 4.16.Các hằng số của dây quấn và vật liệu epoxy [5] 99

Bảng 4.17.Giải thích các kí hiệu thành phần ứng suất nhiệt 100

Trang 18

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Máy biến áp (MBA) phân phối luôn đóng góp m t vai trò hết sức quan trọng trong cơ sở

hạ tầng của hệ thống điện, nó chiếm tỉ lệ lớn trong tổng công suất của hệ thống MBA, vì thế vấn đề giảm tổn hao công suất và cũng như giảm hư hỏng do bị ngắn mạch của MBA phân phối có ý ngh a kinh tế kỹ thuật rất quan trọng

Có hai loại tổn hao điện tồn tại trong MBA khi vận hành: Tổn hao có tải (tổn hao đồng) thay đổi theo mức tải của MBA và tổn hao không tải (tổn hao sắt từ) sinh ra trong lõi từ và xảy ra suốt cu c đời vận hành của MBA, không ph thu c vào tải Để giảm tổn hao công suất trong MBA, cần thiết kế máy sao cho tổng tổn hao của cu n d y đồng và tổn hao sắt nhỏ nhất, trong đó tổn hao sắt ph thu c rất nhiều vào chất lượng loại thép Trong thời gian gần đ y, công nghệ vật liệu từ đã có những tiến b nhảy vọt cho phép ứng d ng vật liệu từ vô định hình VĐH trong việc chế tạo mạch từ cho MBA phân phối [8,23,24,34,43,76]

Vật liệu từ mềm VĐH được phát hiện từ năm 1970, nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt nên th p VĐH đ p ứng các yêu cầu để giảm tổn hao lõi Chính vì vậy, MBA lõi thép VĐH MB VĐH ngày càng được s d ng r ng rãi do nó làm giảm tổn thất hệ thống điện thông qua việc giảm tổn hao không tải của MBA Các tài liệu [4,34,47,69,70] đã đề cập đến vấn đề kinh tế khi s d ng MBAVĐH và đưa ra so s nh chi ph tổn thất giữa hai loại MBA lõi th p silic thông thường và lõi VĐH, từ đó khẳng định s d ng MB VĐH giảm tổn hao không tải từ 60-70% và sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao

MB VĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cu n dây là hình chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác d ng lên cu n d y cũng sẽ không đối xứng trên cùng m t v ng d y Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cu n dây [59,71,72,81]

Lực điện từ tác d ng lên dây quấn của MB được sinh ra là do sự tương t c giữa dòng điện và từ trường tản trong vùng dây quấn Khi MBA hoạt đ ng trong điều kiện ình thường, tác d ng của lực điện từ lên các dây quấn nhỏ do từ trường tản và d ng điện tương đối nhỏ nhưng khi MBA bị ngắn mạch sự cố (tức là MB đang làm việc với điện p sơ cấp định mức

Uđm, phía đầu cực thứ cấp xảy ra ngắn mạch), lúc này toàn b điện p định mức đặt lên tổng trở ngắn mạch rất nhỏ của MB n n d ng điện ngắn mạch qu đ sẽ rất lớn Trong các trường hợp ngắn mạch thì trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng có trị số d ng điện ngắn mạch lớn hơn trường hợp ngắn mạch không đối xứng Do vậy, lực điện từ sinh ra là rất lớn,

nó làm uốn cong, xê dịch hoặc phá hủy dây quấn MBA, thậm chí làm nổ MBA [22,33,75,78]

Trang 19

Ở MBA khô phân phối có cu n dây được đúc bằng nhựa epoxy với đặc tính ưu điểm không bắt l a, tự dập tắt l a và chống cháy do tia l a điện Ngoài ra, nó có sức bền cơ, chịu quá tải cao, khả năng chống ẩm, đ ồn thấp và bảo dưỡng d dàng Do vậy, loại MBA này được s d ng nhiều ở c c t a nhà, khu d n cư, đường hầm, trên tàu è và tr n sàn ngoài khơi [2] Tuy nhiên, khi tính toán ứng suất ở dây quấn khi MBA khô bị ngắn mạch, cần xét thêm các ứng suất thành phần như:

(1) Ứng suất gây ra do phân bố nhiệt đ không đồng đều trong lớp epoxy

(2) Ứng suất do chênh lệch nhiệt đ giữa dây quấn và lớp epoxy

(3) Ứng suất sẵn có giữa lớp epoxy và dây quấn

Vì vậy, lời giải cho bài toán nghiên cứu lý thuyết, tính toán về lực điện từ, ứng suất nhiệt tác d ng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch và k ch thước hợp lí của bán kính cong dây quấn theo đ tăng của ứng suất lực là các nghiên cứu cần được thực hiện

Do đó, luận n: “Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến

áp khô bọc epoxy sử dụng lõi thép vô định hình” được đặt ra là cần thiết và có ý ngh a

quan trọng trong giai đoạn hiện nay

2 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu

 Xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong c a sổ mạch từ MBA với từ thế vectơ

A Từ đó, t nh ứng suất lực trên dây quấn MB lõi VĐH với hình dạng của lõi thép là

hình chữ nhật, khi MBA xảy ra ngắn mạch 3 pha đối xứng với d ng điện ngắn mạch cực đại

 Tìm ra vùng có ứng suất lực lớn giữa cu n HA và CA Từ đó x c định vị trí có ứng lực lớn nhất trên vòng dây HA và CA của MB VĐH trong điều kiện hình dạng của

Đối tượng nghiên cứu

MBA khô bọc epoxy có hình dạng dây quấn hình chữ nhật s d ng lõi thép bằng vật liệu VĐH

Trang 20

Phạm vi nghiên cứu

 Tập trung vào xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong c a sổ mạch từ MBA

với từ thế vectơ A Giải mô hình toán và tính ứng suất lực trên dây quấn trong điều

kiện MBA bị ngắn mạch 3 pha đối xứng nguy hiểm nhất với d ng điện ngắn mạch cực đại

 Ứng d ng phương ph p PTHH ằng phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell 2D và 3D

để x c định vị trí có ứng suất lớn nhất trên dây quấn và so sánh với điều kiện tiêu chuẩn cho phép của dây quấn

 Tập trung vào phân tích sự ph thu c của giá trị ứng suất lực vào bán kính cong của dây quấn Từ đó, đưa ra c ch lựa chọn hợp lí giữa bán kính cong dây quấn theo đ tăng của ứng suất lực

Phương pháp nghiên cứu

 S d ng phương ph p giải tích số bằng công c tính toán Matlab để giải mô hình toán

 S d ng phương ph p PTHH 2D để tính toán ứng suất lực trên dây quấn MBA Kết quả được so sánh với phương ph p giải tích số Đồng thời, mở ra hướng nghiên cứu

là s d ng phương ph p PTHH 3D cho những bài toán có tính chất phi tuyến và hình dạng phức tạp

 S d ng phương ph p PTHH 3D bằng phần mềm mô phỏng nsys Maxwell để phân tích và tính toán ứng suất lực trên dây quấn MBA trong điều kiện ngắn mạch sự cố

mà phương ph p thực nghiệm không thực hiện được Từ đó x c định vị trí có giá trị ứng suất lớn nhất trên dây quấn, kết quả được so sánh với ứng suất cho phép của dây quấn

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học

 Nghiên cứu có hệ thống các lý thuyết cơ ản d ng điện ngắn mạch, từ trường và lực điện từ tác d ng dây quấn MBA khi bị ngắn mạch

 Nghiên cứu xây dựng mô hình toán để phân tích và tính toán từ trường tản và lực điện

từ trên dây quấn

 Kết hợp phương ph p giải tích số và phương ph p PTHH để tính toán lực điện từ tác

d ng lên dây quấn MBA Để từ đó chứng minh tính hiệu quả của phương ph p PTHH

 S d ng phương pháp PTHH 3D để tính toán cho các bài toán có tính chất phi tuyến

và hình dạng phức tạp mà phương ph p giải tích rất khó thực hiện

Ý nghĩa thực tiễn

Trang 21

 Bài toán nghiên cứu về phân bố từ trường, lực điện từ ngắn mạch tác d ng lên dây quấn MBA, từ đó x c định vị trí có ứng suất lực lớn nhất trên dây quấn của MBA, có

ý ngh a thực ti n giúp cho việc tính toán, thiết kế tối ưu cu n dây của MBA Phần nào tham gia vào nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và chế tạo MBA s d ng vật liệu VĐH ở Việt Nam

 Phương ph p PTHH với phần mềm Ansys Maxell 3D cho phép tìm ra phân bố ứng lực trên từng vị tr v ng d y trong trường hợp ngắn mạch sự cố nguy hiểm nhất phía

hạ p MB mà phương ph p thực nghiệm không thực hiện được Giúp ích cho các kỹ

sư trong việc thiết kế MBA và giảm công sức th nghiệm phá hủy khi chế tạo MBA

4 Các đóng góp mới của luận án

N i dung của luận n đã tập trung nghiên cứu tính toán lực ngắn mạch tổng hợp tác d ng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy s d ng lõi thép VĐH Luận n đã đạt được m t số kết quả nghiên cứu mới có thể được tóm lược như sau:

(1) Xây dựng mô hình toán tổng quát của từ trường tản trong c a sổ mạch từ MBA với từ thế vectơ Ứng d ng phương ph p giải t ch và PTHH 2D để tính ứng suất lực hướng tr c và hướng kính trên các dây quấn trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng phía HA Kết quả

về d ng điện ngắn mạch cực đại, từ trường tản và ứng suất lực trên cu n dây HA và CA của hai phương ph p này được so sánh với nhau

(2) X c định vị trí có giá trị ứng suất lực điện từ lớn nhất trên vòng dây cu n HA và CA hình chữ nhật của MB VĐH trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng bằng phương ph p PTHH 3D Tính toán ứng suất nhiệt do sự chênh lệch nhiệt đ giữa dây quấn và c ch điện epoxy, từ đó x c định ứng suất tổng hợp tác d ng lên dây quấn bọc epoxy Kết này được so sánh với ứng suất tiêu chuẩn cho phép của dây quấn MBA

(3) Xây dựng đường cong kh i qu t đ nh gi đ tăng của giá trị ứng suất theo bán kính cong cu n d y kh c nhau Thông qua đường cong này, nếu thay đổi bán kính từ tr n đến vuông thì ứng suất lực sẽ tăng l n 31%, khuyến c o cho người thiết kế MBA lựa chọn hợp lí bán kính cong dây quấn

5 Cấu trúc nội dung của luận án

Ngoài phần mở đầu và các m c theo quy định, n i dung nghiên cứu của luận n được trình ày trong 4 chương và ph l c, c thể:

Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án, tóm tắt về n i dung nghiên cứu, những đóng góp của luận án và kết cấu của luận án

Chương 1: Tổng quan Luận án giới thiệu tổng quát về MBA khô có cu n d y đúc

epoxy, phân tích ưu và nhược điểm loại MBA này so với MBA dầu Sau đó trình bày về

MB lõi th p VĐH, đã được nghiên cứu trong nước và ngoài nước về vấn đề giảm tổn hao và

Trang 22

thiết kế MB VĐH; nghiên cứu lực điện từ ở MBA silic; lực điện từ MB VĐH Tr n cơ sở phân tích những vấn đề nghiên cứu thu c l nh vực đề tài còn tồn tại, luận án đề ra m c tiêu, phương ph p nghi n cứu để giải quyết và khắc ph c những nhược điểm còn tồn tại đó

Chương 2 Mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ máy biến áp

Chương này, luận án trình bày lý thuyết về d ng điện ngắn mạch ở trạng thái xác lập và quá

đ , nguyên nhân gây ra lực điện từ và các thành phần của lực điện từ tác d ng lên dây quấn

MB lõi th p VĐH có cấu trúc đặc biệt hình chữ nhật Đề ra sự cần thiết xây dựng mô hình toán để tính toán lực điện từ Sau đó, luận án tiến hành xây dựng mô hình toán tính toán từ

trường tản trong vùng không gian dây quấn của MBA với từ thế vectơ A

Chương 3 Tính toán ứng suất lực điện từ bằng phương pháp giải tích và phần tử hữu hạn 2D Trong chương này, luận án tập trung vào việc xây dựng m t mô hình tính toán

ứng suất trên dây quấn MBA công suất 630kV trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng Quá trình phân tích tính toán ứng suất trên dây quấn được tiến hành tr n hai phương ph p giải tích và PTHH 2D Kết quả về thời gian phân tích và các giá trị về từ cảm tản và ứng suất của

cả hai phương ph p lần lượt được so sánh với nhau, để có thể tìm ra được m t phương ph p phân tích tính toán phù hợp nhất Đồng thời mở ra hướng nghiên cứu cho chương 4, s d ng phương ph p PTHH 3D cho mô hình MBA có kết cấu phức tạp hơn

Chương 4 Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp

Trong chương này, luận án tiến hành xây dựng m t thuật toán mô phỏng MB VĐH 3 pha có công suất 630kVA-22/0,4kV, trong trường hợp không tải và ngắn mạch th nghiệm, các kết quả về giá trị d ng điện, điện áp, tổn hao không tải và ngắn mạch được so sánh với các kết quả th nghiệm của nhà sản xuất Tr n cơ sơ đúng đắn của mô hình mô phỏng, tiến hành cho ngắn mạch sự cố phía hạ p MB để ph n t ch và đưa ra kết quả từ trường tản, lực điện từ hướng k nh và hướng tr c tác d ng vào cu n dây CA và HA Từ đó x c định vị trí có ứng lực lớn nhất trên cu n dây HA và CA có hình dạng chữ nhật; giá trị ứng suất lớn nhất được so sánh với ứng suất cho phép của dây quấn

Sau đó, luận án đã tiến hành mô phỏng nhiều trường hợp với bán kính cong dây quấn thay đổi từ tr n đến vuông Từ đó đưa ra hai đường cong quan hệ giữa ứng suất với bán kính cong dây quấn Kết quả giúp cho sự lựa chọn hợp lí giữa bán kính cong dây quấn theo hệ số gia tăng của ứng suất lực

Ứng suất tác d ng vào dây quấn MBA khô, tẩm c ch điện epoxy là tổng xếp chồng ứng suất do lực điện từ; ứng suất do đ chênh lệch nhiệt đ giữa dây quấn và epoxy; và ứng lực do phân bố nhiệt đ không đồng đều ở lớp epoxy Do đó, phần cuối của luận án đã tính toán ứng suất tổng hợp tác d ng lên dây quấn MBA bọc lớp epoxy, có x t đến các ứng suất nhiệt này

Trang 23

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu

Trong chương này, luận án giới thiệu tổng quát về MBA khô có cu n d y đúc epoxy,

ph n t ch ưu và nhược điểm loại MBA này so với MBA dầu Sau đó trình ày MB lõi th p VĐH, đã được nghiên cứu trong nước và ngoài nước về: vấn đề giảm tổn hao, tính toán và thiết kế MB VĐH; nghi n cứu lực điện từ ở MBA silic, lực điện từ MB VĐH Tr n cơ sở những vấn đề còn tồn tại về nghiên cứu lực điện từ của MB lõi th p VĐH, tác giả đề ra hướng nghiên cứu cho luận án

1.2 Máy biến áp khô

1.2.1 Khái niệm:

MBA đầu tiên xuất hiện vào khoảng năm 1890 là m t MBA khô C ch điện khô tản nhiệt kém, mặt kh c an đầu chưa có c ch điện chịu được nhiệt đ cao, đ bền c ch điện còn hạn chế nên MBA khô có cấp điện p chưa cao, công suất cũng chưa đủ lớn Sự phát triển của MBA được nâng lên m t bậc do sự xuất hiện của dầu biến p Đến 1980 hầu hết các MBA được sản xuất ph c v cho các toà cao ốc và trạm điện ngoài trời là MBA dầu

MBA dầu không đ p ứng được những yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường và an toàn – phòng chống cháy nổ, dầu MBA là chất d cháy và sản phẩm cháy của nó lại gây ô nhi m môi trường

MBA khô đ p ứng được tối đa y u cầu về an toàn phòng chống cháy nổ Từ những năm

80 thu c thế kỷ XX, MBA khô ngày càng được hoàn thiện và ph t huy đươc những những ưu điểm của nó Xu hướng hiện nay, những địa điểm có yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường và

an toàn – phòng chống cháy nổ, khách sạn, các tòa nhà cao ốc, văn ph ng ch nh phủ và những nơi đông d n cư thì MBA khô sẽ được ưu ti n s d ng

Có hai loại MBA khô thường gặp: MBA có cu n d y không đúc trong c ch điện rắn và MBA có cu n d y đúc trong c ch điện rắn

MBA khô có cu n d y không đúc trong c ch điện rắn là loại máy có dây quấn được bọc bằng c ch điện cấp F hoặc cấp H như giấy nomex, kaptofilm, vải thuỷ tinh v.v Nhược điểm MBA khô có cu n d y không đúc trong c ch điện rắn là nhạy cảm với đ ẩm, khói b i công nghiệp, hơi mặn và khả năng ph ng chống cháy nổ k m hơn loại m y đúc ằng nhựa epoxy

Trang 24

nên hiện nay chỉ làm việc tới mức điện áp là 17,5kV và th xung toàn sóng tới 95kV Chính

vì thế, hiện nay người ta chủ yếu dùng loại MBA có cu n d y đúc trong c ch điện rắn [8]

1.2.2 Máy biến áp khô có cuộn dây đúc trong cách điện rắn

C ch điện rắn để đúc cu n dây MBA khô là loại vật liệu có đ bền cơ, điện, nhiệt cao, chịu được môi trường b i bẩn, hoá chất, đ ẩm cao, gần biển, có khả năng chống cháy nổ, v.v…Chất c ch điện rắn phổ biến nhất hiện nay là composit có chứa gốc epoxy

MBA khô có cu n d y đúc trong chất cách điện rắn thích hợp ở những nơi có y u cầu cao

về phòng chống cháy nổ, nơi đông người qua lại, các công trình gần biển, các toà nhà cao tầng, dưới l ng đất v.v Số lượng MBA khô loại này ngày càng chiếm thị phần lớn trên thị trường thế giới So với MBA khô cu n d y không đúc trong c ch điện rắn thì công nghệ chế tạo cu n dây loại máy này phức tạp hơn nhiều, đ i hỏi yêu cầu kỹ thuật cao hơn Hình 1.1 là loại MBA khô có cu n d y đúc trong epoxy

Hình 1.1 Máy biến áp khô đúc bằng nhựa epoxy [8]

1.2.3.1 Máy biến áp dầu

a Ưu điểm:

+ Chế tạo đơn giản, giá thành rẻ hơn so với MBA khô cùng loại

+ Dầu MBA có khả năng c ch điện cao lại có khả năng tuần hoàn làm mát tự nhiên tốt nên có thể chế tạo MBA có điện p đến hàng trăm kV, công suất đến hàng trăm MV

+ Khả năng qu tải lớn do dầu MBA tản nhiệt tốt hơn không kh

b Nhược điểm:

+ Không thích hợp ở những nơi có y u cầu cao về phòng chống cháy nổ, các công trình gần biển, khu đông người, các nhà máy hoá chất, hầm lò v.v

Trang 25

+ Khi xảy ra sự cố thì thường gây nên cháy nổ, dầu máy tràn ra và gây cháy tạo nên các khí thải ra môi trường xung quanh gây ô nhi m môi trường và ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người

+ Thường xuyên phải kiểm tra mức dầu, sự rò rỉ dầu, chi phí bảo dưỡng và vận hành lớn + Không gian lắp đặt chiếm nhiều diện tích hơn so với MBA khô có cùng công suất + Khả năng vận chuyển đi xa khó khăn hơn và k m an toàn hơn

1.2.3.2 Máy biến áp khô

a Ưu điểm:

+ Có khả năng ph ng chống cháy nổ cao, có khả năng tự dập cháy tốt

Hình 1.2 mô tả thí nghiệm về khả năng chống cháy cu n d y đúc epoxy

Hình 1.2 Khả năng chống cháy cuộn dây đúc epoxy; a) đốt cuộn dây trong hai phút;

b) ngừng đốt; c) ngừng đốt sau 15 giây [8]

+ Không gây ô nhi m môi trường

+ Chịu được môi trường công nghiệp, nơi có đ ẩm lớn và nước biển

+ Cu n d y được quấn bằng dây dẫn có hình dạng đặc biệt và được tẩm, đúc ằng nhựa epoxy tạo thành m t khối vững chắc, có khả năng chịu được dòng ngắn mạch, lực điện từ tốt hơn

+ Thời gian lắp đặt nhanh, chi phí bảo dưỡng hàng năm t

+ Có khả năng chịu được xung điện áp lớn do cu n d y được đúc trong epoxy tạo thành

m t khối vững chắc, mặt khác hai vùng dây kề nhau đóng vai tr như hai ản cực của m t t điện làm phân bố điện p c c v ng d y đồng đều hơn [8]

+ K ch thước lắp đặt nhỏ hơn so với MBA dầu

+ Có thể lắp đặt gần tải, tiết kiệm được cáp hạ áp

Trang 26

1.3 Máy biến áp hiệu suất cao

Xu thế hiện nay người ta ưu ti n lựa chọn các MBA có hiệu suất cao Các nhà sản xuất luôn tìm kiếm vật liệu mới, đồng thời hoàn thiện thiết kế để có khả năng chế tạo MBA có tổn hao thấp Nói c ch kh c người ta luôn luôn phải có biện pháp cải tiến thiết kế và công nghệ chế tạo nhằm hoàn thiện về cấu trúc, hình dạng, thông số kỹ thuật, kinh tế….và quan trọng nhất s d ng vật liệu mới để giảm tổn hao của MBA

Khoảng những năm 80 của thế kỷ XX, thép VĐH (thép biến áp siêu mỏng ra đời Nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt, thép VĐH đ p ứng cả 3 yêu cầu để giảm tổn hao lõi là: lực kháng từ rất nhỏ, HC ~ 5-10 A/m (so với ~50-100 A/m của tôn silic ; đ dày tự nhiên của lá thép rất nhỏ, t ~ 0.03 mm (so với ~ 0,3-0,5 mm của tôn silic và điện trở suất rất lớn ρ ~ 130-170 μΩcm (so với ~50-60 μΩcm của tôn silic) Nhờ vào các tính chất trên mà tổn hao lõi của th p VĐH giảm mạnh so với thép silic loại tốt nhất [6]

Tổn hao trong lõi thép gần đúng ằng tổn hao không tải MBA Hình 1.3 mô tả lịch s tổn hao không tải các MBA 50 kVA do nâng cao chất lượng vật liệu chế tạo lõi thép từ năm 1970 đến năm 1990

Hình 1.3 Lịch sử tổn hao không tải của MBA 50 kVA [34]

Nhìn đồ thị ở Hình 1.3 ta thấy xu hướng d ng th p để giảm tổn hao là m t việc làm hết sức cần thiết Bắt đầu từ năm 1955 đến năm 1990, ngày càng d ng loại thép chất lượng tốt hơn, mặc dù hiện nay các MBA chế tạo có tổn hao nhỏ nhưng vẫn còn những MBA cũ có tổn hao lớn đang được s d ng tr n lưới điện Cho nên, việc quyết định phương n chế tạo MBA tổn hao thấp hay cao không những là vấn đề kinh tế - kỹ thuật ở hiện tại mà ảnh hưởng cả trong tương lai Từ năm 1980 cho đến nay, xu hướng của thế giới chọn vật liệu VĐH làm lõi thép cho MBA để giảm tổn hao không tải

Trang 27

Đồ thị trên Hình 1.4 cho thấy đường cong từ hóa của tôn silic (M4) và thép VĐH Hình 1.5 mô tả lịch s ứng d ng th p VĐH chế tạo MBA phân phối

1,2 0,8 0,4

1,0 1,2 1,4

0,4 0,8 1,2 1,6

định hình

Thép silic

Hình 1.4 Biểu thị đường cong từ trễ của vật liệu VĐH và thép silic [18]

Hình 1.5 Lịch sử ứng dụng thép VĐH chế tạo MBA phân phối [18]

Khi lựa chọn phương n thiết kế MBA có hiệu suất cao mang m t ý ngh a lớn, vì tuổi thọ của MBA có thể từ 30 đến 50 năm, sai lầm trong lựa chọn thiết kế sẽ phải gánh chịu thiệt thòi trong thời gian dài

1.4 Những nghiên cứu ở ngoài nước về máy biến áp lõi vô định hình

Để chế tạo vật liệu VĐH, cho tới hiện nay người ta s d ng 20 phương ph p kh c nhau Tuy nhi n, để đơn giản có thể theo phương ph p ngu i nhanh từ tinh thể lỏng

Ngu i nhanh là công nghệ làm đông cứng gần như tức thời các hợp kim lỏng Đại lượng đặc trưng cho qu trình ngu i của hợp kim là tốc đ ngu i, có đơn vị là 0K/s đ Kelvin/giây)

South Corolia

Trang 28

Trong công nghệ luyện kim, tốc đ ngu i thông thường là khoảng m t vài ch c đến m t vài trăm đ trong m t giây, với tốc đ ngu i chậm như vậy, các hợp kim đều kết tinh khi đông cứng Khi tăng tốc đ ngu i lên vài trăm ngàn tới m t triệu đ trong m t giây, hợp kim lỏng

bị đông cứng nhanh đến mức quá trình kết tinh không kịp xảy ra Khi đó thu được kim loại - hợp kim ở trạng thái hoàn toàn mới với cấu trúc vi mô không tinh thể, được gọi là hợp kim VĐH (amorphous alloys) hoặc thủy tinh kim loại (metallic glasses) do các kim loại đó có cấu trúc vi mô không trật tự, tương tự như cấu trúc của thủy tinh silicat Hợp kim VĐH thường được chế tạo dưới dạng ăng mỏng vài ch c micromet ngay trong qu trình đông cứng [1,26,58]

Hình 1.6 Các cấu trúc nguyên tử [80]

Trong đó: L nấu chảy; (B) Hệ thống rót; (C) Tr c quay;

(D1) (D2) Thiết bị kiểm tra đ dày và bề r ng ăng; E Thiết bị quấn ăng

Hình 1.7 Qui trình chế tạo vật liệu VĐH [23,80]

Cấu trúc Tinh thể Cấu trúcVô định hình Cấu trúc Nano tinh thể

Cấu trúc nguyên t thường tr i , th p vô định hình (phải)

Trang 29

Dùng vật liệu VĐH làm lõi thép MBA 1 pha, 3 pha (MBA dầu và MBA khô) là m t giải pháp tiết kiệm năng lượng của Công ty Hitachi [35]

Hình 1.8 Máy biến áp 3 pha: a) 3 trụ ; b) 5 trụ [35]

1.4.2 Giảm tổn hao máy biến áp lõi vô định hình

Từ năm 1960, cấu trúc VĐH của chất rắn được phát hiện và phát triển cho đến nay gọi là vật liệu từ mềm VĐH, qu trình ph t triển trải qua nhiều giai đoạn khác nhau, quá trình phát triển của vật liệu từ mềm VĐH ở c c nước Mỹ, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc,… [58]

Lịch s phát triển của MB VĐH đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau từ khi bắt đầu phát hiện ra vật liệu VĐH từ năm 1960 đến những năm 80 của thế kỷ XX thì người ta mới bắt đầu s d ng vật liệu VĐH làm lõi MBA, quá trình phát triển MB VĐH có thể tóm tắt qua những công trình nghiên cứu qua những ài o sau đ y:

Năm 1987, S Lupi đã đề cập đến vấn đề kinh tế khi s d ng MB VĐH và đưa ra so sánh chi phí giữa hai MBA lõi th p thông thường và lõi VĐH, từ đó khẳng định s d ng

MB VĐH sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao [49]

Năm 1991, tác giả W.Harry đã giới thiệu những tính chất đ c đ o hợp kim VĐH, bắt đầu dùng vật liệu VĐH làm lõi thép MBA phân phối và sự phát triển trong tương lai [34]

Năm 1992, H Matsuki đã nghi n cứu về các hình dạng lõi của MBA để giảm tổn hao điện năng Tác giả đã mô tả các hình dạng thích hợp cho MBA để giảm tổn hao điện năng Trong đó, hệ số tự cảm, điện kháng tản, điện trở và tổn hao sắt được đo cho c c lõi có hình dạng kh c nhau để đ nh gi c c đặc tính làm việc của MBA [56]

Vật liệu VĐH với những đặc tính giảm tổn thất trong lõi thép cho nên nó có thể ứng d ng không những cho MBA mà vào l nh vực m y điện quay hay ở thiết bị có tần số cao

Năm 1992, Jerry C F Li [42] đã nghi n cứu về ứng d ng vật liệu VĐH giảm tổn thất trong lõi thép của MBA và đ ng cơ MBA phân phối lõi VĐH tần số 60Hz đã được sản xuất trên thị trường và đã đề cập đến nhiều trong các công trình nghiên cứu Khả năng s d ng

MB VĐH không ngừng lại ở đó, đến năm 2009 Robert U Lenke [46] đã đưa ra đặc tính lõi

Trang 30

thép của biến áp phân phối VĐH s d ng cho tần số 50÷60Hz Ngoài ra, lõi th p VĐH cũng được s d ng trong l nh vực điện t công suất ở tần số kHz để giảm tổn hao

Tại Hoa kỳ, năm 1992 y u cầu đặt ra là phải cải thiện hệ thống lưới điện phân phối để giảm tổn thất MBA Nghiên cứu của tác giả W J Ros, T M Taylor [65] chỉ ra rằng trong tất

cả các tổn thất ở lưới phân phối thì tổn thất MBA chiếm 60% trong đó tổn thất lõi 45% trong tổng số tổn thất của hệ thống C thể điển hình m t biến áp pha 25 kVA với lõi thép silic sẽ

có tổn hao lõi 60W còn với lõi VĐH sẽ có 20W Hay MB VĐH đã giảm tổn thất 60% -70%

so với thép silic loại tốt Chính vì vậy MB VĐH mở ra m t lợi ích kinh tế cho hệ thống lưới điện phân phối, nó mang hiệu quả kinh tế, tiết kiệm năng lượng đồng ngh a với giảm khí thải [17]

Tại Pháp [25], các công ty chế tạo biến p như ERDF đã tiến hành các th nghiệm không tải cũng như ngắn mạch trên nhiều MB VĐH từ công suất 160kV đến 630kV để đ nh gi

và đưa ra ti u chuẩn cho MB VĐH trước khi sản xuất cung cấp cho thị trường c c nước ở Châu Âu

Ở Châu Á [42] tổn thất điện năng được chính phủ c c nước quan t m hàng đầu và yêu cầu đặt ra đối với các cơ quan các nước thực hiện chống lãng ph điện năng Theo m t khảo sát tại Nhật Bản trong tổng số tổn thất không tải điện năng vượt là 1,5 lần so với công suất dự

t nh, do đó phải tiến hành giảm tổn thất bằng s d ng MB VĐH

Vấn đề s d ng điện năng tiết kiệm và hiệu quả với MB VĐH không chỉ di n ra ở Nhật Bản mà còn ở c c nước Ch u Á như: Lào, Nepal, Philippine, Đài Loan, Ấn đ , Hàn Quốc, Trung Quốc,….Việc dùng MBA lõi VĐH sẽ giảm tổn hao không tải đến 70-80% so với MBA tôn silic Đồng thời đưa ra kinh nghiệm s d ng cũng như khả năng ph t triển s d ng

MB VĐH trong tương lai [42]

1.4.3 Thiết kế máy biến áp lõi vô định hình

Trong l nh vực nghiên cứu và thiết kế đã có nhiều đóng góp của những tác giả như: G Segers - A Even -M.Desinedt [30]; Pan-Seok Shin [61], Benedito Antonio Luciano [20], D Lin; P Zhou; W N Fu; Z Badics and Z J Cendes [48],…Như t c giả Pan-Seok Shin [61] đã

s d ng phương ph p đồng nhất để tính toán từ trường trong lõi thép của MB VĐH, trong đó tác giả s d ng phương ph p phần t hữu hạn (PTHH để phân tích từ trường MBA

Stefan Sieradzki [68] đã đưa ra c c c ch thay đổi hình dạng của mạch từ MBAVĐH 3 pha từ đó t c giả tiến hành tính toán và kiểm tra bằng thực nghiệm tổn thất MBA 5 tr 160kVA

Tiếp đó, công suất MB VĐH cũng được nâng cao lên đến 630kVA [77] tác giả Yinshun Wang, Xiang Zhao đã x y dựng thiết kế và tính toán tổn thất của m t MBA 3 pha với công

Trang 31

suất tr n 630 kV điện p sơ cấp/thứ cấp là 10,5 kV/0.4 kV thông qua thí nghiệm ngắn mạch

và không tải theo tiêu chuẩn

Vấn đề đi s u vào thiết kế, th nghiệm MB VĐH cũng được nghiên cứu kỹ càng và sâu sắc hơn, c thể tác giả Benedito Antonio Luciano [20] thiết kế, th nghiệm MB VĐH 1 pha 1kV , đồng thời vấn đề ủ ph c hồi từ t nh cũng được đề cập để nâng cao hiệu suất Tác giả

đã trình ày phương pháp ủ lõi bằng khí argon trong từ trường m t chiều dọc theo chiều dài lõi

Phân tích mô hình mạch từ của lõi th p VĐH để phân tích tổn hao không tải thì có nhiều tác giả với các phương ph p thực hiện khác nhau, ví d như: nhóm t c giả D Lin, P Zhou,

W N Fu, Z Badics, and Z J Cendes tại Mỹ năm 2003 [48] phân tích mô hình tổn thất lõi bằng phương pháp PTHH 2D và 3D ở chế đ qu đ Kết quả th nghiệm trên hai mô hình lõi VĐH và lõi sillic cho thấy tổn hao tr n lõi VĐH là thấp hơn

Những công trình nghiên cứu tr n đối tượng MB VĐH không ngừng lại ở m t mức đ chung chung đó mà nghi n cứu đi vào đối tượng c thể là MB khô VĐH Nhóm t c giả Thorsten Steinmetz, Bogdan Cranganu-Cretu [69] tiến hành nghiên cứu tổn thất không tải và

có tải của MB khô VĐH T c giả tập trung ph n t ch, đ nh gi tổn hao không tải của MBA phân phối khô lõi VĐH 630kVA như Hình 1.9, đưa ra phương ph p cải tiến trong thiết kế mạch từ MBA để tổn hao là thấp nhất Đồng thời thông qua phương ph p PTHH khảo sát mạch từ để chứng minh đặc điểm thiết kế mạch từ mà tác giả đề ra như Hình 1.10

Hình 1.9 Tổn hao không tải và có tải của MBA khô VĐH [69]

Trang 32

Hình 1.10 Mô hình mạch từ của MBA khô VĐH trong phân tích FEM [69]

1.5 Những nghiên cứu ở trong nước về máy biến áp lõi vô định hình

Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà N i: Từ dự án sản xuất số 13/97-HĐCGCN

đã có hơn 10 năm kinh nghiệm, đã nghiên cứu thành công công nghệ chế tạo vật liệu từ VĐH dạng ăng mỏng và ứng d ng các sản phẩm ăng từ mềm VĐH vào sản xuất MBA nhỏ tần số cao Dự n đã đào tạo được nhiều Tiến s , Thạc s , trên 50 bài báo khoa học liên quan và tham

dự trên 10 h i nghị khoa học quốc tế [6]

Ngày 10 th ng 12 năm 2009, lần đầu tiên ở nước ta đưa việc nghiên cứu ứng d ng vật liệu VĐH làm lõi th p MB điện lực; B trưởng B Công Thương đã ký Quyết định số 6228/QĐ – BCT về: Kế hoạch khoa học công nghệ năm 2010 [1] với n i dung c thể như sau: “Thiết kế chế tạo chế tạo MBA giảm tổn hao không tải s d ng vật liệu thép từ vô định hình siêu mỏng, chế tạo trong nước”

Ngày 14 th ng 1 năm 2011, Mitsu ishi UFJ Morgan Stanley Securities, Co., Ltd (MUMSS) phối hợp với Trung tâm tiết kiệm năng lượng Tp Hồ Ch Minh đã tổ chức “H i thảo thúc đẩy s d ng máy biến áp Amorphous hiệu suất cao trong hệ thống lưới điện tại Việt nam” Sau h i thảo có chương trình đầu tư nghi n cứu, sản xuất MB VĐH tại Việt nam Ngày 13 th ng 1 năm 2012, Công ty Hitachi Metals đã phối hợp với với Trung tâm tiết kiệm năng lượng Tp Hồ Ch Minh đã tổ chức h i thảo: “M y iến p lõi tôn vô định hình hiệu suất cao và ứng d ng hiệu quả tại Việt Nam” Tại h i thảo đưa ra những đặc trưng của

MB VĐH hiệu suất cao và kết quả đo ph tải điện của MBA ở Việt Nam, thông qua kết quả vận hành thực tế MBA lõi tôn VĐH hiệu suất cao đồng thời đề xuất tiêu chuẩn mới cho MBA này tại Việt Nam

Khởi đ ng tại Việt Nam từ năm 2010, với sự phối hợp của ECC-HCMC, Hitachi đã chuyển giao thành công MBA hiệu suất cao cho công ty sản xuất MBA tại Việt Nam Năm

Lõi ngoài

Lõi trong

Trang 33

2011, ECC-HCMC đã tiến hành lắp đặt và đo th nghiệm MBA này tr n lưới điện ở m t số địa phương như Hà N i, Tp.HCM, Bình Dương, Đồng Nai và Bến Tre Kết quả vận hành thực

tế cũng như những phương ph p đ nh gi mới, tiêu chuẩn mới cho MBA đã được các chuyên gia ph n t ch, đ nh gi và đề xuất tại h i thảo

Ở Việt Nam, MBA khô thì công ty cổ phần chế tạo biến thế Hà N i đã nhập m y đúc

cu n d y, khuôn đúc d y quấn và cũng đã chế tạo được thành công MBA khô có cu n dây đúc trong epoxy MB khô được sản xuất đã được th nghiệm và đảm bảo chất lượng để vận hành

Nói chung, MBA có lõi thép làm bằng vật liệu VĐH cần được nhanh chóng đưa vào s

d ng ở Việt nam, tuy nhiên nó còn rất mới mẻ với Việt Nam Chính vì vậy, cần phải có nhiều công trình nghiên cứu tính toán ứng lực, truyền nhiệt, phân bố c ch điện cũng như t nh to n, thiết kế, công nghệ chế tạo để áp d ng vào thực tế sản xuất trong nước

1.6 Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi silic

Về vấn đề lực điện từ tác d ng lên dây quấn MBA có lõi thép silic, trên thế giới đã có nhiều tác giả nghiên cứu đề cập và được liệt k sau đ y:

Năm 2001, dly đã tính toán lực tác d ng lên dây quấn MBA, trong quá trình chuyển đổi nấc phân áp của MBA làm xuất hiện d ng điện xung M c đ ch của tác giả là phân tích, tính toán lực điện từ gây ra bởi dòng điện xung kích MBA Kết quả cả hai trường hợp là dòng điện xung k ch và d ng điện ngắn mạch sinh ra lực tác d ng lên cu n dây biến áp là giống nhau Tính toán trên mô hình 3D của MBA m t pha, trong đó có s d ng kỹ thuật mạng noron để tính toán tổn hao, đồng thời s d ng kết quả thực nghiệm để so sánh Kết quả về lực điện từ ngắn mạch cũng được so s nh và đ nh gi với nhau [12]

Năm 2004, Tang Yun-Qiu đã tính toán lực ngắn mạch trên dây quấn MBA, trình bày tính toán lực hướng kính và hướng tr c khi ngắn mạch ba pha trên m t MBA 72MVA, phân tích

từ trường tản và lực theo phương ph p PTHH C c kết quả t nh to n được so sánh với th nghiệm [36]

Năm 2007, C De Azevedo đã phân tích từ trường của MBA khi xảy ra ngắn mạch,

d ng phương ph p PTHH theo miền thời gian (Hình 1.11) để tính toán lực cơ học xảy ra trong cu n dây biến p trong điều kiện ngắn mạch Tác giả s d ng tính toán bằng giải tích và

mô phỏng số để khảo sát MBA hai trường hợp ình thường và ngắn mạch, kết quả lực hướng

tr c và hướng kính ở Hình 1.12 và Hình 1.13 giữa hai phương ph p này được so sánh và đ nh giá với nhau [16]

Trang 34

Hình 1.15 Lực điện từ, dòng điện và từ cảm tản của MBA [39]

Nhóm tác giả thực hiện trên các MBA khô 1 pha với công suất 50 kVA và 1 MVA, phân tích từ trường tản bằng phương ph p PTHH với phần mềm Maxwell V12 ở Hình 1.16

Trang 35

Hình 1.16 Phân bố từ trường trong mạch từ và ngoài cuộn dây [40]

Sự phân bố và hướng của mật đ từ thông ở trạng th i ình thường của MBA đều ở trên lõi Nhưng ở Hình 1.16 cho thấy ở trạng thái ngắn mạch sự phân bố mật đ từ thông tản xung quanh cu n dây là khá lớn

Khi ngắn mạch xảy ra, MBA có thể bị hư hỏng bởi d ng điện qu đ Phân tích lực điện

từ, dòng ngắn mạch s d ng phần mềm Maxwell Circuit Edit V12.1 là mạch liên kết cu n HA

và CA ở Hình 1.17 Khoảng thời gian khảo sát từ 0-50 ms D ng điện đỉnh của cu n HA là 6142,5 A và cu n CA là 746,1 được hiển thị ở Hình 1.18

Hình 1.17 Sơ đồ mạch điện liên kết Hình 1.18 Dòng điện ngắn mạch cuộn CA và HA [38]

Kết quả là lực hướng k nh và hướng tr c trên cu n dây HA và CA ở Hình 1.19; Hình 1.20; Hình 1.21; Hình 1.22

Trang 36

Hình 1.19 Lực hướng kính trên cuộn CA [38] Hình 1.20 Lực hướng trục cuộn CA [38]

Ở Hình 1.23, nhóm tác giả đã khảo sát lực hướng kính trên cu n dây HA ở 16 vị trí khác nhau, kết quả giá trị phân bố lực tr n 16 điểm tương đối đồng đều nhau ở Hình 1.24, do phân

bố đồng đều của từ thông tản trên cu n dây của MBA lõi thép silic có tiết diện tròn

Hình 1.23 Các vị trí khảo sát trên cuộn dây [38] Hình 1.24 Lực hướng kính trên cuộn HA [38]

Ngoài ra, tính toán từ trường tản và lực cơ kh sinh ra ở MBA khi ngắn mạch bằng phương ph p PTHH theo miền thời gian cũng được nhiều tác giả quan t m được công bố trong các công trình [12,13,19,28,44,45,51,74]

1.7 Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi vô định hình

MB VĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cu n dây là hình chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác d ng lên cu n d y cũng sẽ không đối xứng trên cùng m t vòng dây MB VĐH có mức đ tiếng ồn cao hơn và khả năng chịu ngắn mạch sẽ

k m hơn MB lõi tôn silic Hơn nữa, lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cu n dây [17,34,48,59]

Nhóm tác giả Haifeng Zhong - WenhaoNiu - Tao Lin - Dong Han - Guoqiang Zhang [32], đã nghi n cứu phân tích khả năng chịu ngắn mạch của m t MB VĐH có công suất 800kVA-10kV Từ đó, đề xuất m t kết cấu kẹp các cu n d y MB để có thể chịu được lực

Trang 37

ngắn mạch lớn gây ra và chứng minh tính khả thi của phương ph p kết cấu mới của mình dưới sự hỗ trợ của phần mềm Ansys

Nhóm tác giả đề cập đến ưu điểm của MBA phân phối có lõi hợp kim vô định hình là khả năng giảm tổn hao và s d ng r ng rãi nhưng rất nhạy cảm với lực cơ kh , từ trường t c đ ng lên dây quấn, mức đ tiếng ồn cao hơn và khả năng chịu đựng ngắn mạch kém hơn MB lõi tôn silic Do đó, cần có được sự quan tâm nhiều đến thiết kế về cu n d y cũng như c c cấu trúc hỗ trợ khác

Kết quả nghiên cứu về mật đ từ thông, lực ngắn mạch có sự thay đổi lớn giữa cu n CA

và H trong trường hợp ngắn mạch với d ng điện ngắn mạch lớn và nguy hiểm nhất là trường hợp ngắn mạch đ t ng t phía HA của MBA M t thiết kế cấu trúc mới được đề xuất và được chứng minh với kẹp 8 bulông được thắt chặt trên cu n dây ở Hình 1.25

Hình 1.25 Cấu trúc kẹp cuộn dây của MBAVĐH [32]

Nhóm tác giả B Tomczuk, D Koteras [71,72] đã t nh to n lý thuyết và thực nghiệm về thành phần từ trường và điện kháng ngắn mạch của MBA 3 pha lõi VĐH công suất S = 10kVA Nhóm tác giả K Zakrzewski; B Tomczuk, D Koteras [81] tiến hành sản xuất 2 loại MBA 10kVA: MB không đối xứng (AAT là MBA mạch từ phẳng) và MB đối xứng (AST

là MBA mạch từ không gian) Sau đó, t nh to n ph n ố từ trường trong các MB VĐH trong trạng thái ngắn mạch, phân tích từ thông móc vòng  và từ thông  bằng phương ph p PTHH 3D Đồng thời, kết quả phân bố từ thông tản lúc ngắn mạch giữa AST và AAT được kiểm chứng bằng thực nghiệm Kết quả loại MBA AAT thấp hơn và tốt hơn cho sản xuất và s a chữa

Ảnh hưởng của khe hở không khí d giữa các cu n d y đến từ trường trong MB VĐH cũng được tác giả B Tomczuk [73] đề cập đến và đã d ng phương pháp PTHH với mô hình 3D để phân tích từ trường MB VĐH 1 pha công suất 10kVA, ảnh hưởng của k ch thước giữa các cu n d y đến giá trị tự cảm tản Sự biến đổi bề r ng khe hở d g y ra thay đổi phân bố từ thông, giá trị của từ thông có sự khác nhau khoảng 25% khi d thay đổi từ 1 mm đến 7 mm Tính toán và th nghiệm đã được thực hiện trên cu n d y tr n và cũng có thể s d ng cho

cu n dây hình chữ nhật

Nhóm tác giả M.Mouhamad, C.Elleau [59], đã đưa ra kết quả th nghiệm ngắn mạch

MB VĐH s d ng lõi thép vật liệu 2605SA1, có công suất từ 250 đến 630 kV Đồng thời

Trang 38

t nh to n d ng điện ngắn mạch và lực điện đ ng tác d ng lên cu n dây hình chữ nhật có xét đến bề dày cu n dây Tính toán lực điện đ ng theo định luật Ampe giữa dây quấn CA và HA tương t c với nhau trong hai trường hợp:

+ Thứ nhất, nếu tính toán gần đúng tức là xem khoảng cách giữa hai cu n dây là d(m) chưa x t đến bề dày của cu n dây thì lực có giá trị là F=4000kNm-1

+ Thứ hai, nếu có x t đến bề dày cu n dây là e và khoảng cách giữa hai cu n dây là d thì giá trị lực sẽ nhỏ hơn và bằng F=378kNm-1

Do vậy, nhóm tác giả khuyến cáo trong tính toán lực tác d ng lên dây quấn nên tính theo cách thứ hai, quan trọng hơn khi tính lực cho MBA có lõi VĐH vì các cu n dây có hình chữ nhật ở Hình 1.27 chứ không phải tròn, phân bố lực sẽ không đối xứng như Hình 1.29

Hình 1.26 Sơ đồ cuộn HA và CA [59] Hình 1.27 MBAVĐH ba pha cuộn dây hình chữ nhật [59]

Bài o đã đưa ra kết quả th nghiệm ngắn mạch MB VĐH phân phối có công suất 400 kVA, giá trị trở kháng sau ngắn mạch đo được sai lệch dưới 4% so với giá trị an đầu Sau khi

th nghiệm ngắn mạch 8 MB đo gi trị trở kh ng thì đã có 4 m y vượt quá 4% cho phép chỉ còn lại 4 m y đạt yêu cầu

Hình 1.28 Cuộn HA và CA Hình 1.29 Cuộn HA và CA sau khi bị tác động lực điện từ

Do cu n dây hình chữ nhật nên có biến dạng không đối xứng, cu n dây HA bị đẩy vào trong lõi và cu n CA có xu hướng đẩy ra ngoài lõi ở Hình 1.28 và có xu hướng căng tr n như Hình 1.29

1.8 Những vấn đề còn tồn tại

Lõi th p VĐH

Trang 39

Với những phân tích ở trên ta thấy rằng nghiên cứu về lực điện từ ở MB VĐH vẫn còn hạn chế số lượng công trình công bố và cũng như những vấn đề mà công trình này chưa khai thác hết C thể là các vấn đề còn tồn tại như sau:

1 Tính lực điện từ tác d ng lên dây quấn chưa t nh đến phân bố từ trường tản trong vùng không gian dây quấn của MB VĐH có cu n dây hình chữ nhật; cũng chưa xác định vị trí có ứng suất lớn nhất hay lực tại chỗ góc mạch từ trên cu n dây hình chữ nhật

2 Chưa chỉ ra giá trị tại vị trí trên cu n dây có ứng suất lớn nhất hay nhỏ nhất để từ đó đưa ra giải pháp khắc ph c Cũng như chưa đưa ra c ch lựa chọn hợp lí bán kính cong dây quấn theo đ tăng của ứng suất lực

3 Chưa tính lực ngắn mạch tổng hợp tác d ng lên dây quấn bao gồm lực điện từ và ứng suất nhiệt trong dây quấn MBA khô bọc epoxy

1.9 Đề xuất hướng nghiên cứu

Để giải quyết những mặt còn tồn tại đó, luận án đề xuất hướng nghiên cứu như sau:

- Nghiên cứu xây dựng mô hình toán tổng quát với từ thế vectơ A để tính từ trường tản

trong c a sổ mạch từ MBA

- Tính toán ứng suất lực điện từ lớn nhất trên cu n dây khi MBA bị ngắn mạch nguy hiểm nhất X c định vị trí có ứng suất lớn nhất trên vòng dây HA và CA Sau đó kết quả so sánh với ứng suất cho phép của dây quấn

- Đánh giá sự thay đổi của giá trị ứng suất theo n k nh thay đổi từ tr n đến vuông Từ

đó khuyến cáo về việc lựa chọn hợp lí bán kính cong dây quấn theo đ tăng của ứng suất lực

- Tính toán ứng suất lực tổng trên dây quấn MBA khô bọc epoxy có t nh đến ứng suất nhiệt tác d ng vào dây quấn do đ chêch nhiệt đ giữa dây quấn và epoxy; và phân bố nhiệt

đ không đồng đều ở lớp epoxy

1.10 Kết luận chương 1

Trong chương này, luận án giới thiệu về MBA khô có cu n d y đúc epoxy, với những ưu MBA này so với MBA dầu nên số lượng MBA khô ngày càng chiếm thị phần lớn trên thị trường thế giới Xu thế hiện nay người ta ưu ti n lựa chọn các MBA có hiệu suất cao Đặc biệt, khi s d ng MBA lõi thép bằng vật liệu VĐH làm giảm tổn hao không tải đến 60% -70%

so với thép silic loại tốt MB VĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cu n dây là hình chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác d ng lên cu n d y cũng sẽ không đối xứng trên cùng m t vòng dây Hơn nữa, lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cu n dây

Luận án trình bày về những nghiên cứu trong nước và ngoài nước về thiết kế và tính toán lực điện từ tác d ng lên dây quấn của MBA lõi thép silic và MBA lõi thép VĐH Tr n cơ sở

Trang 40

phân tích các công trình nghiên cứu thu c l nh vực đề tài với những vấn đề còn tồn tại, luận

án đã đề ra m c tiêu và phương ph p nghi n cứu để giải quyết những mặt còn tồn tại đó N i dung nghiên cứu của luận án được trình bày ở những chương tiếp theo

Định dạng
Số trang	141
Dung lượng	3,76 MB